EP1001214A1 - Verfahren zur Verhinderung von Strömungsinstabilitäten in einem Brenner - Google Patents

Verfahren zur Verhinderung von Strömungsinstabilitäten in einem Brenner Download PDF

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EP1001214A1
EP1001214A1 EP98811115A EP98811115A EP1001214A1 EP 1001214 A1 EP1001214 A1 EP 1001214A1 EP 98811115 A EP98811115 A EP 98811115A EP 98811115 A EP98811115 A EP 98811115A EP 1001214 A1 EP1001214 A1 EP 1001214A1
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EP
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burner
combustion
flow
flow instabilities
fuel
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Jakob Prof.Dr. Keller
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General Electric Technology GmbH
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ABB Schweiz AG
ABB Asea Brown Boveri Ltd
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    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
    • F23D11/40—Mixing tubes or chambers; Burner heads
    • F23D11/402—Mixing chambers downstream of the nozzle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2210/00—Noise abatement

Definitions

  • the present invention relates to the field of burners, in particular the burner for use in gas turbines. It relates to a device and a Method for operating a burner, in which a combustion air flow Fuel is transported to a combustion chamber, where the fuel is burned, and mixed with the fuel during transport of the combustion air stream and is guided by formwork elements.
  • EP-B1-0 321 809 describes a burner for liquid and gaseous fuels became known without a premixing section, in which feed from the outside Combustion air is displaced tangentially through at least two inlet slots arranged, hollow half-cones occurs and there in the direction of the combustion chamber flows, and in which either on the side facing away from the combustion chamber, tapered side of the half cones of liquid fuel centrally, or in the region of the entry slots is injected.
  • the fuel is so to speak captured by the combustion air and "enveloped", so that between the cones form a conical liquid fuel profile, which is in Expands towards the combustion chamber and burns there.
  • gaseous Fuel is drawn from fuel supply pipes that run along the air inlet slots run, injected transversely into the incoming air through rows of holes.
  • combustion air forms behind the front edge in the direction of flow the half-cones immediately a shear layer.
  • This shear layer lies between the essentially stationary in the combustion chamber and hot combustion gases, and the emerging, flowing mixture of fuel and combustion air. It is in the nature of such shear layers, that, regardless of the Reynolds number, this will eventually roll up and turbulence result. This rolling up can be such that so-called Kelvin-Helmholtz waves first appear on the shear layers form, the wave crests of which run transversely to the direction of flow, and which then create vortices.
  • thermoacoustic oscillations This largely coherent waves lead to a burner of the type mentioned above under typical operating conditions to vibrations with frequencies of about 100 Hz. Since this frequency with typical fundamental eigenmodes of von many ring burners of gas turbines coincide, make the thermoacoustic Oscillations are a problem.
  • the invention is therefore based on the object, a device or a To provide burners and a method for operating such a device, which is the rocking interaction of coherent flow instabilities and acoustic field reduced.
  • This object is achieved in a device or a method of the aforementioned Kind of solved by the formation of first periodic, coherent Flow instabilities in a boundary layer between the combustion air and the formwork elements is disturbed, and by coupling an acoustic Field in the combustion chamber at such first flow instabilities is reduced.
  • the essence of the invention is that targeted prevention of coherent flow instabilities the resonant rocking of Prevents thermoacoustic oscillations when they are caused.
  • a first preferred embodiment of the invention is characterized in that that the first flow instabilities are Tolmien-Schlichting waves in the boundary layer between the combustion air flow and formwork elements is that these are more preferably able to handle second flow instabilities, which change when the fuel-air mixture enters the Form combustion chamber on the shear layers that occur and which, for example Kelvin-Helmholtz waves can be clocked. Also finds the disturbance of the first flow instabilities preferably in the vicinity of the Front edge of the shuttering elements facing the combustion chamber instead.
  • Another embodiment has the feature that the disturbance mediates through holes in the formwork elements. The pressure drop Through these holes, the cross ripple in the boundary layer is broken.
  • FIG. 1 shows schematically the flow conditions in a double-cone burner.
  • the combustion air 10 passes laterally through the inlet slots 17 with light arranged displaced axes, hollow half-cones 13 and 18, flows to the front end of the burner, describing a slight curve, and enters the burner 19 after passing the front edges 18 of the half cones the combustion chamber 21 is located at the tapered end of the half-cones 13 and 16 a cylindrical part 15, in which a fuel nozzle 14 is arranged, which is the liquid fuel in this case centrally between the two half cones 13 and 16 injected. Gaseous fuels are preferred along the Entry slots 17 injected through a plurality of holes.
  • the combustion air flow 10 envelops the injected fuel and a fuel cone is formed, which widens towards the front, and which after leaving the Combustion chamber 21 at the burner mouth 20 in one, schematically in the figure illustrated flame 12 burns. Rolling up is also indicated in FIG. 1 22 of the fuel / combustion air mixture behind the front edge 18 when entering the combustion chamber.
  • thermoacoustic feedback Properties of the boundary layer between flowing air 11 and half cones 13 and 16 is decisive, the behavior of this boundary layer should first be more precise to be examined.
  • the displacement thickness is given by:
  • the combustion in the eddies 24 of the Kelvin-Helmholtz waves also pulsates at the same frequency and thereby drives the acoustic field in the combustion chamber 21. Since the acoustic field is able to transmit the Tolmien-Schlichting waves (TS) in the first To clock the boundary layer, the following feedback circuit forms: ⁇ TS ⁇ KH ⁇ pulsating combustion ⁇ acoustic field ⁇ TS ⁇ KH ⁇ ...
  • Vertical TS waves can be attached, for example of shark tooth-like, essentially the central axis of the torch Prevent 19 facing projections on the front edges 18.
  • the coherent Cross-ripple in the boundary layer is thus overlaid by a longitudinal disturbance destroyed by this. Problems with such "shark teeth” can be that they can burn down due to the heat and radiation.
  • a ring of through bores 25 acts in the formwork elements in an analogous manner 13 and / or 16, as shown in Figure 2.
  • the Bores 25 are in the region of the leading edge 18 and in their sequence arranged substantially parallel to the front edge. Is the pressure drop comparable to the pressure drop across the entire burner 19 via the bores 25, such bores are able to cross the boundary layer in the area of the leading edge 18 and thus disturb the TS waves in this region to destroy.
  • the diameter of the bores 25 should at least match that Thickness of the boundary layer may be comparable. For an applicant's EV17 burner is therefore a diameter of a few millimeters, in particular 3 mm prefer.
  • the distance between the holes 25 should be roughly in the range the wavelength of the highest occurring thermo-acoustic frequency lie. To prevent the suction effects of neighboring holes 25 do not cancel each other out, you should also make sure that the distance between the bores 25 is not significantly smaller than the distance of holes 25 from the leading edge.

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Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Betrieb eines Brenners (19), bei welchem ein Verbrennungsluftstrom (10) Brennstoff in eine Brennkammer (21) transportiert, wo der Brennstoff verbrannt wird, und beim Transport der Verbrennungsluftstrom (10) mit dem Brennstoff vermischt und von Verschalungselementen (13,16) geführt wird, wird die aufschaukelnde Wechselwirkung von kohärenten Strömungsinstabilitäten und akkustischem Feld vermindert, indem die Ausbildung von ersten periodischen, kohärenten Strömungsinstabilitäten in einer Grenzschicht zwischen der Verbrennungsluft (10) und den Verschalungselementen (13,16) gestört wird, und dass eine Ankopplung eines akkustischen Feldes in der Brennkammer (21) an solche ersten Strömungsinstabilitäten vermindert wird. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Brenner, insbesondere der Brenner zur Verwendung in Gasturbinen. Sie betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners, bei welchem ein Verbrennungsluftstrom Brennstoff in eine Brennkammer transportiert, wo der Brennstoff verbrannt wird, und beim Transport der Verbrennungsluftstrom mit dem Brennstoff vermischt und von Verschalungselementen geführt wird.
Stand der Technik
Bei modernen Brennern, insbesondere bei Brennern wie sie in Gasturbinen eingesetzt werden, wird es zunehmend wichtiger, die Verbrennung sowohl möglichst effizient, als auch möglichst frei von Schadstoffen zu halten. Schadstoffgrenzwerte werden u.a. von den Behörden vorgeschrieben, und die Richtlinien betreffend CO und NOx Ausstoss werden immer strenger. Die entsprechende Optimierung der Verbrennung kann auf vielfältige Weise geschehen, so z.B. durch Beimischung von Additiven wie Wasser zum Brennstoff, durch Einsatz von Katalysatoren, oder auch durch die Sicherstellung von für die Verbrennung idealen Brennstoff-Luft-Gemischen. Optimale Brennstoff-Luft-Verhältnisse können dadurch erzeugt werden, dass Brennstoff und Verbrennungsluft vorgemischt werden (sog. Vormischbrenner) oder indem Brennstoff und Verbrennungsluft zusammen auf spezielle Weise vermischt in den Verbrennungsraum eingedüst werden.
Aus der EP-B1-0 321 809 ist ein Brenner für flüssige und gasförmige Brennstoffe ohne Vormischstrecke bekannt geworden, bei welchem von aussen zugeführte Verbrennungsluft durch wenigstens zwei Eintrittsschlitze tangential zwischen verschoben angeordnete, hohle Halbkonusse eintritt und dort in Richtung der Brennkammer strömt, und bei welchem entweder auf der der Brennkammer abgewandten, verjüngten Seite der Halbkonusse der flüssige Brennstoff zentral, oder in der Region der Eintrittsschlitze eingedüst wird. Der Brennstoff wird so gewissermassen von der Verbrennungsluft erfasst und "eingehüllt", so dass sich zwischen den Halbkonussen ein kegeliges Flüssigbrennstoffprofil ausbildet, welches sich in Richtung der Brennkammer ausweitet und dort verbrennt. Insbesondere gasförmiger Brennstoff wird aus Brennstoffzufuhrrohren, die den Lufteintrittsschlitzen entlang verlaufen, durch Bohrungsreihen quer in die eintretende Luft eingedüst.
Problematisch bei solchen Brennern, und allgemein bei Brennern, bei welchen ein Verbrennungsluftstrom auf ähnliche Weise in eine Brennkammer strömt, sind die Strömung des Brennstoff-Luft-Gemisches entlang der Verschalungselemente des Brenners, sowie der Austritt der Verbrennungsluft in die Brennkammer. So ist sowohl das Entlangstreichen der Verbrennungsluft im Brenner an den Wänden der Halbkonusse meist infolge der Strömungs- und Druckverhältnisse sowie der Geometrie der Verschalung nicht mehr laminar sondern turbulent. Die Strömung in dieser Grenzschicht wird für einen bestimmten Wertebereich der Reynoldszahl kohärent wellig, wobei die Wellenkämme senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufen. Diese Welligkeit in Grenzschichten wird meist als Tolmien-Schlichting-Wellen (TS-Wellen) bezeichnet, und ist meist die erste turbulente Strömungsform nach der laminaren Strömung, welche bei niedrigeren Reynoldszahlen auftritt. Ausserdem bildet sich in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft hinter der Vorderkante der Halbkonusse sofort eine Scherschicht. Diese Scherschicht liegt zwischen den sich in der Brennkammer befindenden, im wesentlichen stationären und heissen Verbrennungsgasen, und dem austretenden, strömenden Gemisch von Brennstoff und Verbrennungsluft. Es liegt in der Natur von solchen Scherschichten, dass sich diese, unabhängig von der Reynoldszahl, irgendwann Aufrollen und Verwirbelungen resultieren. Dieses Aufrollen kann derart verlaufen, dass sich zunächst auf den Scherschichten sogenannte Kelvin-Helmholtz-Wellen ausbilden, deren Wellenkämme quer zur Strömungsrichtung verlaufen, und welche danach Wirbel erzeugen.
Es zeigt sich, dass diese Instabilitäten in Grenzschichten und deren Ankopplung an die Instabilitäten auf Scherschichten in Kombination mit dem ablaufenden Verbrennungsprozess hauptverantwortlich sind für eine wichtige Klasse von von Reaktionsratenschwankungen ausgelösten, thermoakkustischen Oszillationen. Diese weitgehend kohärenten Wellen führen bei einem Brenner der obengenannten Art bei typischen Betriebsbedingungen zu Schwingungen mit Frequenzen von etwa 100 Hz. Da diese Frequenz mit typischen fundamentalen Eigenmoden von von vielen Ringbrennern von Gasturbinen zusammenfallen, stellen die thermoakkustischen Oszillationen ein Problem dar.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bzw. einen Brenner, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen zur Verfügung zu stellen, welches die aufschaukelnde Wechselwirkung von kohärenten Strömungsinstabilitäten und akkustischem Feld vermindert.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung bzw. einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, indem die Ausbildung von ersten periodischen, kohärenten Strömungsinstabilitäten in einer Grenzschicht zwischen der Verbrennungsluft und den Verschalungselementen gestört wird, und indem eine Ankopplung eines akkustischen Feldes in der Brennkammer an solche ersten Strömungsinstabilitäten vermindert wird. Der Kern der Erfindung liegt also darin, dass die gezielte Verhinderung von kohärenten Strömungsinstabilitäten das resonante Aufschaukeln von thermoakkustischen Oszillationen schon bei deren ursächlicher Bildung verhindert.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den ersten Strömungsinstabilitäten um Tolmien-Schlichting-Wellen in der Grenzschicht zwischen Verbrennungsluftstrom und Verschalungselementen handelt, dass weiter bevorzugt diese in der Lage sind, zweite Strömungsinstabilitäten, welche sich bei Eintritt des Brennstoff-Luft-Gemisches in die Brennkammer an den dabei auftretenden Scherschichten bilden und welche beispielsweise Kelvin-Helmholtz-Wellen sein können, zu takten. Ausserdem findet die Störung der ersten Strömungsinstabilitäten bevorzugt in der Nähe der dem Brennraum zugewandten Vorderkante der Verschalungselemente statt.
Eine weitere Ausführungsform weist das Merkmal auf, dass die Störung vermittels durchgängiger Bohrungen in den Verschalungselementen erfolgt. Der Druckabfall über diesen Bohrungen führt dazu, dass die Querwelligkeit in der Grenzschicht gebrochen wird.
Weitere Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Kurze Erläuterung der Figuren
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
Fig. 1
zeigt eine schematische Darstellung eines Brenners und das Aufrollen von Kelvin-Helmholtz-Wellen hinter der Austrittsöffnung; und
Fig. 2
zeigt eine schematische Darstellung eines Brenners mit Bohrungen, welche die Ausbildung von ersten, kohärenten Strömungsinstabilitäten verhindern.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Das Wirkprinzip des geschilderten Ansatzes soll zunächst aufgrund einiger theoretischer Überlegungen rationalisiert und erläutert werden, anschliessend werden die technischen Ausführungsbeispiele geschildert.
Figur 1 zeigt schematisch die Strömungsverhältnisse in einem Doppelkegelbrenner. Die Verbrennungsluft 10 tritt seitlich durch die Eintrittsschlitze 17 der mit leicht verschobenen Achsen angeordneten, hohlen Halbkonusse 13 und 18 ein, strömt zum vorderen Ende des Brenners unter Beschreibung eines leichten Bogens, und tritt nach Passieren der Vorderkanten 18 der Halbkonusse aus dem Brenner 19 in die Brennkammer 21. Am verjüngten Ende der Halbkonusse 13 und 16 befindet sich ein zylindrischer Teil 15, in welchem eine Brennstoffdüse 14 angeordnet ist, welche den in diesem Fall flüssigen Brennstoff zentral zwischen die zwei Halbkonusse 13 und 16 eindüst. Gasförmige Brennstoffe werden bevorzugt entlang der Eintrittsschlitze 17 über eine Vielzahl von Löchern eingedüst. Der Verbrennungsluftstrom 10 umhüllt den eingedüsten Brennstoff, und es bildet sich ein Brennstoffkegel, welcher sich nach vorne hin aufweitet, und welcher nach Austritt in die Brennkammer 21 bei der Brennermündung 20 in einer, in der Figur schematisch dargestellten Flamme 12 verbrennt. Ebenfalls angedeutet in Figur 1 ist das Aufrollen 22 des Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisches hinter der Vorderkante 18 beim Eintritt in die Brennkammer. Da für die thermoakkustische Rückkopplung die Eigenschaften der Grenzschicht zwischen strömender Luft 11 und Halbkonussen 13 und 16 entscheidend ist, soll das Verhalten dieser Grenzschicht zunächst genauer untersucht werden.
Für laminare Strömung ist die Verdrängungsdicke δ1, definiert als
Figure 00060001
der Grenzschicht zwischen Verschalung 13 oder 16 und strömendem Brennstoff-Luft-Gemisch gegeben durch: δ1 =1.7208 vx/U wobei x eine charakteristische Länge, v die kinematische Viskosität, und U die Strömungsgeschwindigkeit ausserhalb der Grenzschicht darstellt. Für turbulentes Strömungsverhalten der Grenzschicht ist die Verdrängungsdicke gegeben durch:
Figure 00060002
Obwohl die Strömung in einer solchen Grenzschicht bei planen Grenzschichten für einen grossen Bereich von Reynoldszahlen Re x = Ux/v laminar ist, ist unter den Bedingungen, wie sie bei Doppelkegelbrennern anzutreffen sind, d.h. konkave Wände und Störung durch den Brennstoffzumischungsprozess, ein turbulentes Strömungsverhalten zu erwarten. Die Verdrängungsdicke der Grenzschicht im Bereich der Vorderkante 18 der Verschalungselemente ist deshalb am besten durch die dritte Formel beschrieben.
Für die Ankopplung des akkustischen Feldes an die Turbulenzen in dieser Grenzschicht ist es notwendig, dass die Turbulenzen einen kohärent welligen Charakter aufweisen, dass sich mit anderen Worten sog. Tolmien-Schlichting-Wellen ausbilden. Die Fähigkeit einer turbulenten Grenzschicht, Tolmien-Schlichting-Wellen aufzubauen, hängt einerseits vom Formfaktor H 12 der Grenzschicht, als auch von der als Funktion der Verdrängungsdicke formulierten Reynoldszahl Reδ 1 = Uδ1 / v ab. Da der Formfaktor H 12 , definiert als Quotient aus Verdrängungsdicke δ1 und Impulsmangeldicke δ2, mit
Figure 00070001
bei den hier betrachteten Anwendungen normalerweise oberhalb von 1.8 liegt, kann ein wesentliches Wachstum von Tolmien-Schlichting-Wellen erwartet werden, wenn Reδ1 = Uδ1/ v > 104.
Nimmt man eine charakteristische Länge von x = 250mm für einen Doppelkegelbrenner des Typs EV17, und eine charakteristische Länge von x = (185/175)·250mm für einen Brenner des Typs EV18 der Anmelderin an, so lassen sich die folgenden Bedingungen in der Kantenregion 18 berechnen. Die effektive Strömungsgeschwindigkeit U verhält sich dabei zur nominalen Strömungsgeschwindigkeit UN gemäss U = UN ξ, wobei ξ der Druckabfallkoeffizient des Brenners ist.
Typ UN [m/s] U[m/s] T[K] p[bar] Reδ1
GT13E2 25.0 70.7 688 15.0 8.84*103
GT8C 30.8 87.2 733 15.9 1.01*104
GT11N2 38.0 107.5 693 13.7 1.14*104
GT26 29.6 83.8 815 30.0 1.48*104
Die Berechnungen zeigen, dass die Werte der Reynoldszahl für die bei Doppelkegelbrennern vorliegenden Bedingungen gerade im für die Bildung von Tolmien-Schlichting-Wellen guten Bereich liegen, und stark von der nominalen Strömungsgeschwindigkeit und der Temperatur abhängen.
Die kohärente Welligkeit in der Grenzschicht in der Region der Vorderkante 18, d.h. kurz bevor der Luftstrom 11 sich ablöst und in die Brennkammer 21 austritt, ist nun in der Lage, die Turbulenzen in der hinter der Vorderkante 18 zwischen stationärer Luft in der Brennkammer und austretender Luft 11 auftretenden Scherschicht zu beeinflussen. Da diese Scherschicht unabhängig von der Reynoldszahl bezüglich Wellenlängen grösser als ca. 5 Mal der Dicke der Scherschicht instabil ist, bilden sich dort sogenannte Kelvin-Helmholtz-Wellen (KH) 22 aus. Diese sind kohärent, und sie können insbesondere in Frequenz und Phase von den Tolmien-Schlichting-Wellen der davor liegenden Grenzschicht getaktet werden. Die Verbrennung in den Verwirbelungen 24 der Kelvin-Helmholtz-Wellen pulsiert ebenfalls mit der gleichen Frequenz und treibt dabei das akkustische Feld in der Brennkammer 21. Da das akkustische Feld in der Lage ist, die Tolmien-Schlichting-Wellen (TS) in der ersten Grenzschicht zu takten, bildet sich folgender Rückkopplungskreis aus: → TS → KH → Pulsierende Verbrennung → akkustisches Feld → TS → KH →...
Weil derartige Aufschaukelungsprozesse die Effizienz der Betriebs reduzieren und ausserdem die Frequenz zusätzlich mit Eigenfrequenzen von Brennkammern zusammenfallen kann, ist deren Verhinderung von enormer Wichtigkeit.
Im Prinzip ist es möglich, den Rückkopplungsprozess durch Verhinderung eines beliebigen der oben aufgelisteten Phänomene zu unterbinden, es zeigt sich aber, dass gerade die Zerstörung der Kohärenz der Tolmien-Schlichting-Wellen sich sowohl in theoretischer als auch in praktischer Hinsicht am besten eignet. Die Tolmien-Schlichting-Wellen übernehmen hier gewissermassen die Funktion der vibrierenden Lippen beim Pfeifen mit dem Mund. Unterbindet man diese, so trifft man den resonanten Kreis an einer entscheidenden und leicht zu beeinflussenden Stelle.
Die Ausbildung von zur Strömungsrichtung des Brennstoff-Luft-Gemisches 11 senkrecht verlaufenden TS-Wellen lässt sich beispielsweise durch Anbringung von haifischzahn-ähnlichen, im wesentlichen der zentralen Achse des Brenners 19 zugewandten Vorsprüngen an den Vorderkanten 18 verhindern. Die kohärente Querwelligkeit in der Grenzschicht wird so von einer Längsstörung überlagert und von dieser zerstört. Problematisch an solchen "Haifischzähnen" kann aber sein, dass sie infolge der Hitze und der Strahlung abgebrannt werden können.
In analoger Weise wirkt ein Ring von durchgängigen Bohrungen 25 in den Verschalungselementen 13 und/oder 16, so, wie sie in Figur 2 dargestellt sind. Die Bohrungen 25 werden dabei in der Region der Vorderkante 18 und in ihrer Aneinanderreihung im wesentlichen parallel zur Vorderkante angeordnet. Ist der Druckabfall über die Bohrungen 25 dem Druckabfall über den ganzen Brenner 19 vergleichbar, so sind derartige Bohrungen in der Lage, die Grenzschicht im Bereich der Vorderkante 18 stark zu stören und damit die TS-Wellen in dieser Region zu zerstören. Der Durchmesser der Bohrungen 25 sollte dabei wenigstens mit der Dicke der Grenzschicht vergleichbar sein. Für einen EV17 Brenner der Anmelderin ist somit ein Durchmesser von einigen Millimetern, insbesondere von 3 mm zu bevorzugen. Zudem sollte der Abstand zwischen den Bohrungen 25 grob im Bereich der Wellenlänge der höchsten auftretenden thermoakkustischen Frequenz liegen. Um zu verhindern, dass sich die Sogwirkungen benachbarter Bohrungen 25 nicht gegenseitig aufheben, sollte ausserdem darauf geachtet werden, dass der Abstand zwischen den Bohrungen 25 nicht wesentlich kleiner ist als der Abstand der Bohrungen 25 von der Vorderkante.
Bezugszeichenliste
10
Verbrennungsluftstrom bei Eintritt
11
Gemisch von Verbrennungsluft und Brennstoff nach Austritt
12
Flamme
13
erster Halbkonus
14
Brennstoffdüse
15
zylindrischer Teil des Brenners
16
zweiter Halbkonus
17
Eintrittsschlitz
18
Vorderkante des Halbkonus
19
Brenner
20
Brennermündung
21
Brennkammer
22
Kelvin-Helmholtz Wellen
23
Wellenkämme von 22
24
Verbrennungszone von 22
25
Bohrungen

Claims (13)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Brenners (19), bei welchem ein Verbrennungsluftstrom (10) Brennstoff in eine Brennkammer (21) transportiert, wo der Brennstoff verbrannt wird, und beim Transport der Verbrennungsluftstrom (10) mit dem Brennstoff vermischt und innerhalb des Brenners von Verschalungselementen (13,16) geführt wird dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung von ersten periodischen, kohärenten Strömungsinstabilitäten in einer Grenzschicht zwischen der Verbrennungsluft (10) und den Verschalungselementen (13,16) gestört wird, derart dass eine Ankopplung eines akkustischen Feldes in der Brennkammer (21) an solche ersten Strömungsinstabilitäten vermindert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den ersten Strömungsinstabilitäten in der Grenzschicht zwischen der Verbrennungsluft (10) und den Verschalungselementen (13,16) um Tolmien-Schlichting-Wellen handelt.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Strömungsinstabilitäten kohärente zweite Strömungsinstabilitäten (22) einer Scherschicht zwischen im wesentlichen stationärer Luft in der Brennkammer und aus dem Brenner (19) austretender Verbrennungsluft (11) takten.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den zweiten Strömungsinstabilitäten um Kelvin-Helmholtz-Wellen (22) handelt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung des Gemisches (11) aus Verbrennungsluft und Brennstoff in der Scherschicht in einer Verbrennungszone (24) abläuft, dass diese Verbrennung im wesentlichen mit der Frequenz der zweiten Strömungsinstabilität (22) pulsierend verläuft, und dass die Frequenz des akkustischen Feldes in der Brennkammer (21) im wesentlichen durch diese pulsierende Verbrennung bestimmt ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Störung der Kohärenz der ersten Strömungsinstabilitäten im Bereich einer der Brennkammer (21) zugewandten Vorderkante (18) der Verschalungselemente (13,16) vorgenommen wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Störung der Kohärenz der ersten Strömungsinstabilitäten durch eine Mehrzahl von durchgängigen Bohrungen (25) durch die Verschalungselemente (13,16) im Bereich der Vorderkante (18) vorgenommen wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Störung der Kohärenz der ersten Strömungsinstabilitäten durch eine Mehrzahl von zahnförmigen, im Bereich der Vorderkante (18) an den Verschalungselementen (13,16) angebrachten, im wesentlichen in Richtung der zentralen Achse des Brenners (19) ausgerichteten Vorsprüngen bewirkt wird.
  9. Brenner (19) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (25) vorgesehen sind, welche die kohärente Periodizität der ersten Strömungsinstabilitäten vermindern.
  10. Brenner (19) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Brenner (19) um einen Doppelkegelbrenner handelt, dessen Verschalungselemente von zwei gegeneinander leicht verschobenen Halbkonussen (13,16) gebildet werden, und dass die Mittel (25) als Mehrzahl von Bohrungen (25) ausgebildet sind, welche Bohrungen (25) parallel zur Vorderkante (18) der Halbkonusse (13,18) im wesentlichen in einer Reihe angeordnet ist.
  11. Brenner (19) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen einen Durchmesser im Bereich der Dicke der die ersten Strömungsinstabilitäten bewirkenden Grenzschicht zwischen der Verbrennungsluft (10) und den Verschalungselementen (13,16) aufweisen.
  12. Brenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen einen Durchmesser von 2 bis 5 mm, insbesondere von 3 mm aufweisen.
  13. Brenner nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Beabstandung der Bohrungen (25) im Bereich der höchsten auftretenden thermoakkustischen Wellenlänge liegt, und dass die Beabstandung im wesentlichen grösser oder gleich dem Abstand der Bohrungen (25) von der Vorderkante (18) ist.
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